Fenton体系中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的循环调控及其降解避蚊胺的性能研究

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药品及个人护理产品(PPCPs)广泛以原液或代谢产物的形式积累于水环境中,因常规污水处理工艺处理PPCPs效率低,PPCP类污染物检出率高,长时间低剂量暴露将对生态系统和人类健康产生潜在危害。避蚊胺(DEET)使用广泛,是PPCPs中的一种代表性污染物。为了降低废水中DEET的浓度,本文首先采用传统Fenton体系降解水中的DEET,利用响应曲面法(RSM)优化Fenton处理DEET的最佳反应条件,分析各影响因素的交互作用,并阐明中间产物或转化产物以推测反应途径。然后,为突破传统Fenton中Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环速率慢、H2O2利用率低、易生成铁泥等局限性,本研究采用络合剂原儿茶酸(PCA)强化Fenton体系降解DEET效果,并探讨了PCA在该体系中的作用机理,鉴定了主要活性自由基,以及研究PCA是否产生二次污染的问题。具体内容如下:本实验研究了响应曲面法优化传统Fenton体系降解避蚊胺DEET的效能。研究体系中不同影响因素如H2O2投加量、Fe(Ⅱ)浓度、初始p H值、反应时间等对DEET降解的影响,在此基础上,利用响应曲面法分析各影响因素的交互作用,并优化反应条件。在H2O2=1.15 mmol/L,Fe(Ⅱ)=0.25 mmol/L,p H=3.0,反应时间为38 min这一最优条件下,DEET降解率可达91.45%,与模型预测值(92.31%)基本吻合。GC-MS分析得到Fenton法降解DEET的5种中间产物,并据此推测了DEET可能的降解途径。为了提高Fenton体系中Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)铁循环速率,增强对DEET的降解效果,在反应体系中加入络合剂原儿茶酸(PCA)。研究发现,Fenton体系中加入PCA后DEET的降解效率大大提高,在最佳反应条件:[DEET]0=200μmol/L,H2O2=1.0mmol/L,H2O2/Fe(Ⅱ)=20:1,PCA/Fe(Ⅱ)=1:1,p H=3.0之下,DEET在20 min内降解率可达80%。络合实验显示,PCA在酸性条件下(p H=3.0)能与Fe(Ⅲ)络合抑制铁沉淀。通过检测DEET降解过程中的TFe和Fe(Ⅱ)浓度变化,证实在p H=3.0时,PCA既除了作为络合剂也可作为还原剂,快速还原Fe(Ⅲ),有效促进Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环。在不同Fenton体系中检测H2O2利用率,发现PCA的加入提高了Fenton体系中H2O2利用率。利用叔丁醇和对苯醌作为自由基捕获剂鉴定反应体系中主要活性物质,得出PCA-Fe(Ⅱ)/H2O2体系中起主要氧化作用的活性自由基是羟基自由基(·OH)。总有机碳检测结果表明,当PCA-Fe(Ⅱ)/H2O2体系的p H值为3.0时,PCA不仅可促进DEET的降解和矿化,其本身也一同被矿化,是一种环境友好型的络合剂。
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